冷凝式燃气热水器的试验研究
关键词：冷凝式燃气热水器；换热器；热效率
冷凝式燃气热水器可降低排烟温度，回收烟气潜热及显热，其热效率明显高于普通燃气热水器，还有助于烟气中有害物质的溶解，具有一定的环保效应[1～4]。目前这种产品在发达国家已经得到一定的发展和应用，但在我国还处于研究开发阶段。我们在家用燃气快速式热水器的基础上，开发了冷凝式燃气热水器，并对其热工性能进行了试验研究。
1 冷凝式燃气热水器的节能分析
与普通的燃气热水器相比，冷凝式燃气热水器增加了一段冷凝式换热器。通过这一段的冷凝换热，将排烟温度降低到露点以下，利用烟气的显热和水蒸气的潜热，提高燃气热水器的热效率，达到节能的目的。
家用燃气快速式热水器的热效率为：
Cp——水的比定压热容，kJ／(kg·K)
G——热水器的出水量，kg/min
△t——热水器的进出水温差，℃
q——燃气耗量，m3／min
Q1——燃气的低热值，kJ／m3
由于冷凝式燃气热水器利用了烟气的显热和水蒸气的潜热，所以其理论热效率为：
Qh——燃气的高热值，kJ／m3
普通燃气热水器的热效率一般为80%～85%。在出热水量和进出水温差相同的情况下，冷凝式燃气热水器比普通燃气热水器的热效率高15％左右。由于热效率与耗气量成反比，则冷凝式燃气热水器的节气率为：
2 冷凝式燃气热水器的设计
2．1 设计方案
在燃气快速式热水器的基础上，我们研制开发了冷凝式燃气热水器。燃气快速式热水器的产热水能力为16L／min，额定热负荷为31kw，排烟方式为鼓风强制排气式，具有自动恒温功能。换热器采用翅片管型式，翅片共89+2片，水管6根，有效长度为180mm。
在设计冷凝式换热器时，主要考虑了以下问题。
①充分回收烟气余热，提高热效率。冷凝式换热器应保证烟气中水蒸气冷凝，使烟气的余热得到充分回收，提高热水器的热效率。
②构造合理，使用方便。新设计的换热器应尽可能不影响原有的结构形式，做到保证提高其效率的同时仍能达到结构简单紧凑、美观大方、使用方便的效果。
③成本低廉，制造容易。冷凝式燃气热水器的生产成本不应有大幅度的增加，如果由于价格高而失去市场，就违背了技术创新的宗旨。根据上述指导原则，我们采用了在原有换热器的基础上增加一段冷凝式换热器的设计方案。
2．2 冷凝式热水器的结构型式
为了便于排出冷凝水和保持原有的基本结构，新设计的热水器采用倒置燃烧型式(见图1)，将原来的热水器倒置。这样，燃烧装置由底部移至顶部，换热器移至热水器的下部。烟气由底部引出冷凝水后，再流至上部烟道排放。其他的结构形式基本不变。
改装后的换热器将原有的翅片换热器(以下称为显热换热器)与翅片式冷凝换热器串联。为了加工方便，2种翅片的形状尺寸相同。从理论计算及实际加工的合理性考虑，冷凝式换热器翅片分别采用31+2、46+2以及61+2片3种型式。它们的技术参数见表1。
表1 3种换热器的技术参数
型 号 | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | |
肋片 数目 | 显热段/片 | 89+2 | ||
冷凝段/片 | 61+2 | 46+2 | 31+2 | |
肋片 间距 | 显热段/mm | 2.8 | ||
冷凝段/mm | 2.8/5.6 | 5.6 | 8.4 | |
肋片厚度/mm | 0.3 | |||
单片翅片面积/m2 | 0.007 36 | |||
水管有效长度/mm | 280 | |||
水管总根数 | 12 | |||
水管内径/mm | 16.0 | |||
水管外径/mm | 16.5 | |||
肋片换热总面积/m2 | 1.1040 | 0.9936 | 0.8332 | |
备 注 | 2.8/5.6表示翅片的间距为 2.8mm和5.6mm,交错排列 | |||
3 冷凝式燃气热水器的性能试验
3．1 试验系统及主要参数
试验系统见图2。试验气源采用LPG，供气压力为2．8kPa。
3．2 试验结果及分析
试验结果见表2，列出了原型热水器的换热器与3种不同翅片参数冷凝式换热器的热工性能的试验结果。
①排烟温度与热效率
由表2可知，冷凝式燃气热水器由于降低了排烟温度，其热效率较普通热水器提高11．24％～13．00％，而且排烟温度越低，热效率越高。排烟温度与热效率的关系如图3所示。当烟气温度降到98℃时，虽未达到烟气的露点，但烟气中已有部分水蒸气被冷凝，这是由于局部冷壁效应造成的。按燃气低热值计算的热效率为93．44%，比原型热水器提高11．24百分点。排烟温度ts与热效率η1(按低热值计算)的关系式为：
η1=(104．2—0．109tn)／100 (4)
式中ts——排烟温度，℃
图3 排烟温度与热效率的关系
根据理论计算，当排烟温度降到40℃时，热水器的热效率可达100％。虽然烟气温度降低会使烟气中水蒸气冷凝，但由于采用强制排气方式，因此没有造成燃烧工况的恶化，冷凝式热水器烟气中CO体积分数与普通热水器相近(见表2)。
表2 原型换热器与冷凝式换热器的热工性能
性能参数 | 原型 | Ⅰ型 | Ⅱ型 | Ⅲ型 |
耗气量/（m3·h-1） | 1.086 | 1.005 | 1.060 | 0.981 |
热效率/% | 82.20 | 95.20 | 94.35 | 93.44 |
热负荷/kW | 31.08 | 28.34 | 30.19 | 28.00 |
热水产量/（L·min-1） | 14.63 | 15.46 | 16.31 | 14.99 |
ч（CO,α=1）/% | 0.046 | 0.048 | 0.041 | 0.051 |
排烟温度/°C | 195 | 72 | 81 | 98 |
冷凝水 | 无 | 较多 | 较多 | 适量 |
注：ч（CO，α=1）表示过剩空气系数为1时烟气中CO 的体积分数 | ||||
②翅片数目与热效率
表2表明，冷凝换热器翅片的数目对热水器热效率有影响，翅片数目越多则换热器的热效率也越高。翅片数目与热水器热效率的关系见图4。图4表明热水器热效率在一定范围内与翅片数目成线性变化。为了进一步提高冷凝式燃气热水器的热效率，可以适当增加冷凝式换热器的翅片数目。
③节能分析
由于冷凝式换热器换热量增加，所以热水器的出热水量也增加，表2中原型热水器的产热水能力约为14．63L／min，而冷凝式燃气热水器的最高出水量可达16．31L／min，比普通燃气热水器提高了11．48％。冷凝式燃气热水器的节能效果是明显的，表3的试验结果表明，冷凝式燃气热水器的节气率可达13．66%。
图4翅片数目与热效率的关系
表3 冷凝式燃气热水器的节能分析
项 目 | 原型 | Ⅰ型 | Ⅱ型 | Ⅲ型 |
进水温度/°C | 6.9 | 10.3 | 9.0 | 9.7 |
出水温度/°C | 45.0 | 54.0 | 51.7 | 49.7 |
进出水温差/°C | 38.1 | 43.7 | 42.7 | 40.0 |
耗气耗量/（m3·h-1） | 1.086 | 1.005 | 1.060 | 0.981 |
热效率％ | 82.20 | TD> 94.35 | 93.44 | |
节气率％ | — | 13.66 | 12.88 | 12.03 |
④燃烧器倒置对热工性能的影响
由于采用的是强制排气的燃烧方式，燃烧器倒置后，换热器的热效率并没有下降，反而有所升高，CO的体积分数也无显著变化(见表4)。这说明燃烧器在顶部倒置的燃烧方式对热水器的热工性能及燃烧性能不会产生影响[5]。
表4 燃烧器位置的不同对热工性能的影响
性能参数 | 燃烧器正置 | 燃烧器倒置 |
耗气量/（m3·h-1） | 1.086 | 0.955 |
低热值热效率/% | 82.20 | 84.20 |
热负荷/kW | 31.08 | 27.64 |
热水产量/（L·min-1） | 14.63 | 13.33 |
ч(CO,α=1)/% | 0.046 | 0.049 |
排烟温度/°C | 195 | 183 |
冷凝水 | 无 | 无 |
4 结论
①冷凝式燃气热水器具有较低的排烟温度，热效率大幅度提高。试验表明冷凝式燃气热水器燃用LPG时，排烟温度可比普通燃气热水器低约120℃，热效率可达95％以上，节气率可达13．66％。
②冷凝式燃气快速式热水器采用燃烧器在顶部倒置的燃烧方式，可以避免冷凝水的下落对燃气燃烧及烟气换热的影响，不会对热水器的热效率产生影响。由于采用鼓风强制排气的燃烧方式，烟气中水蒸气的冷凝并没有造成燃烧工况的恶化，其烟气中的CO及N0x的含量与原型热水器接近。
③虽然冷凝式燃气热水器由于增加冷凝式换热器会使热水器的制造成本增加，但是由于其节能效果明显，具有环保效益，值得研究开发。
(本文作者：娄桂云1，魏敦崧2 1．上海燃气市北销售有限公司，上海 200001；2．同济大学机械学院，上海 200092)
